逆向工程在3D打印技術(shù)中的應(yīng)用實(shí)踐

胡彥萍

(蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730060)

0 引 言

逆向工程(RE)是相對(duì)于傳統(tǒng)的正向工程而言的，它是根據(jù)已有的產(chǎn)品模型，反向推出產(chǎn)品的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的過程，是產(chǎn)品外形設(shè)計(jì)的再現(xiàn)。運(yùn)用逆向工程技術(shù)，能夠得到物體的表面數(shù)據(jù)模型，并進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)加工，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝品、文物等物品的保護(hù)和開發(fā)[1]。從廣義上講，逆向工程可分為以下三類：實(shí)物逆向，軟件逆向和影像逆向。目前，國(guó)內(nèi)外有關(guān)逆向工程的研究主要集中在幾何形狀的逆向，即重建產(chǎn)品實(shí)物的CAD，稱為“實(shí)物逆向工程”。筆者是以工藝品模型為例，介紹產(chǎn)品逆向的過程，也是屬于實(shí)物逆向。

1 三維數(shù)據(jù)掃描

實(shí)物或模型的數(shù)字化采集是逆向工程的首要而關(guān)鍵的一步。本文采用Handyscan300手持式三維激光掃描儀對(duì)工藝品模型進(jìn)行三維數(shù)據(jù)的采集。三維激光掃描儀是利用激光測(cè)距的原理，通過記錄被測(cè)物體表面大量的密集點(diǎn)的三維坐標(biāo)、反射率和紋理等信息，可快速?gòu)?fù)建出被測(cè)目標(biāo)的三維模型及線、面、體等各種圖形數(shù)據(jù)。

采集前將模型擦拭干凈，并在模型表面均勻的貼上標(biāo)志點(diǎn)(見圖1)。打開掃描儀配套的VXelements軟件，完成傳感器校準(zhǔn)后，采用掃描表面的方式進(jìn)行掃描，由于這個(gè)模型曲面比較復(fù)雜，會(huì)導(dǎo)致部分區(qū)域漏掃，所以需要變換角度進(jìn)行多次掃描，并將掃描結(jié)果進(jìn)行擬合拼接，最終會(huì)得到一個(gè)基本完整的模型表面數(shù)據(jù)(見圖2)。將此數(shù)據(jù)文件保存文件名為:ma.stl。

圖1 工藝品模型貼點(diǎn) 圖2 掃描獲得數(shù)據(jù)

2 逆向設(shè)計(jì)

目前主流應(yīng)用的四大逆向工程軟件是Imageware、Geomagic Design X、CopyCAD、RapidForm，某些正向軟件也有逆向功能，如Ug，PROE/Creo等。本文采用Geomagic Design X軟件進(jìn)行逆向設(shè)計(jì)。

先將上一步掃描獲得的文件(ma.stl)導(dǎo)入Geomagic Design X逆向工程軟件中，由于模型表面有許多孔和貼點(diǎn)留下的凸起，所以需要將模型表面處理一下?？梢杂肎eomagic Design X軟件的【填孔】功能來進(jìn)行補(bǔ)孔操作，貼點(diǎn)的區(qū)域也要進(jìn)行【刪除特征】處理，以使表面看起來平滑，最后，利用【消減】、【平滑】、【整體再面片化】等命令來提高面片的品質(zhì)，此時(shí)，得到的就是一個(gè)完整的模型表面數(shù)據(jù)了。完成后(如圖3)繼續(xù)保存成stl格式。

圖3 數(shù)據(jù)處理后的模型

3 3D打印

基本上所有型號(hào)的打印機(jī)都能打印stl格式文件，只是選用的分層切片軟件略有不同。本文使用Einstart-S桌面3D打印機(jī)，這款打印機(jī)的打印原理是采用FDM技術(shù)，配套的切片軟件是3dStar軟件。

3.1 切 片

在3dStar軟件環(huán)境下打開處理好的模型數(shù)據(jù)(ma.stl)，將模型旋轉(zhuǎn)到合適方向并縮放至合適比例后再移動(dòng)到平臺(tái)中心，如圖4。在【設(shè)置】中選擇設(shè)備類型為“E-s”，精度為0.1 mm，參數(shù)為“內(nèi)外支撐”。點(diǎn)擊【生成路徑】，軟件自動(dòng)將模型按照設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行分層切片。切片完成后，可在路徑查看器中查看打印時(shí)間和分層數(shù)等信息，也可查看填充效果(見圖5)，如果不滿意可重新設(shè)置后進(jìn)行切片。最后將軟件切片后生成的文件(ma.gsd)存入打印機(jī)SD卡中。

圖4 模型放置合適比例和位置 圖5 支撐與填充效果

3.2 打印與后處理

先將SD卡插入打印機(jī)卡槽，再打開打印機(jī)，完成穿絲操作后，在打印界面選擇要打印的模型(ma.gsd)，點(diǎn)擊【OK】按鍵即可。打印完成后(見圖6)需要手動(dòng)去除支撐，用工具將內(nèi)外支撐都去除后，打印作品就完成了，如圖7所示。

圖6 打印完成后的模型 圖7 最終完成的作品

4 學(xué)生實(shí)踐操作

逆向設(shè)計(jì)是一項(xiàng)將已有的產(chǎn)品零件或原型轉(zhuǎn)化為 CAD 模型，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和再創(chuàng)造的技術(shù)。在課堂中，可以讓學(xué)生自己選擇感興趣的模型進(jìn)行3D掃描和逆向設(shè)計(jì)，也可以在此基礎(chǔ)上用正向設(shè)計(jì)軟件對(duì)模型進(jìn)行修改，也就是創(chuàng)新設(shè)計(jì)。實(shí)踐證明，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣普遍很高，他們可以充分發(fā)揮自己的想象力和創(chuàng)造力，來完成模型的二次設(shè)計(jì)，將此教學(xué)過程引入教學(xué)中，為學(xué)生工程能力的培養(yǎng)和創(chuàng)新能力的提升提供了一種新思路[2]。圖8是學(xué)生的設(shè)計(jì)案例。

圖8 學(xué)生作品

5 結(jié) 語(yǔ)

逆向工程技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)模型的快速?gòu)?fù)制和創(chuàng)新，提高了復(fù)雜型面的產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)能力，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期。本文基于激光掃描儀、Geomagic Design X軟件和3D打印切片軟件進(jìn)行工藝品的逆向設(shè)計(jì)和快速成型，為復(fù)雜工藝品的逆向建模及成型提供了一種新的解決方法，對(duì)于復(fù)雜型面的產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)有一定的指導(dǎo)作用[3]。